linux-2.6.22.6内核启动分析之Makefile文件

Posted 2020-12-03 quinoa

学习目标

分析Makefile文件，了解内核中的哪些文件被编译，如何被编译，连接时顺序如何确定！

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 Linux内核源码中包含很多的Makefile文件，这些Makefile文件又包含其它的一些文件，比如配置信息、通用规则等等。我们可以把内核中的Makefile文件分为5类，如下表所示：

顶层Makefile	所有Makefile文件的核心，从总体控制内核的编译、连接
.config	配置文件，在执行配置命令时生成。所有Makefile文件都根据.config来决定如何使用哪些文件
arch/$(ARCH)/Makefile	对应CPU体系结构的Makefile文件，用来决定那些体系结构相关的文件参与内核的生成，并提供一些规则来生成特定格式内核映象
kbuild Makefile	各级子目录下的Makefile，相对比较简单，被上一级Makefile调用来编译当前目录下的文件
script/Makefile.*	Makefile共用规则和脚本

执行make uImage命令时内核最终被编译，所以要分析内核Makefile文件关系，把目标uImage作为分析的入手点最为合适。打开顶层Makefile文件，在顶层Makefile文件中查找目标uImage的依赖关系，结果发现在顶层Makefile文件中不能直接找到目标uImage的依赖。虽然在顶层Makefile文件中没有直接找到目标uImage的依赖关系，但我们执行make uImage命令时内核被编译，所以我们可以推测目标uImage肯定是在其它目录下的Makefile中定义，并且这个目录下的Makefile文件被顶层的Makefile文件所包含。查找其它目录下的Makefile文件，最终在arch/arm目录下Makefile文件中找到目标uImage的依赖关系，代码如下：

227 zImage Image xipImage bootpImage uImage: vmlinux                            #来源于arch/arm目录下的Makefile文件
228     $(Q)$(MAKE) $(build)=$(boot) MACHINE=$(MACHINE) $(boot)/$@

为了验证上面推测是否正确，我们在顶层Makefile中搜索"include"字符，找到顶层Makefile中所有包含文件。通过筛选后找到下面所示代码：

413 include $(srctree)/arch/$(ARCH)/Makefile                                    #来源于顶层Makefile中文件
414 export KBUILD_DEFCONFIG
........
185 #ARCH        ?= $(SUBARCH)
186 ARCH        ?= arm
187 CROSS_COMPILE    ?= arm-linux-

上述代码$(srctree)=源码根目录、$(ARCH)=arm，include $(srctree)/arch/$(ARCH)/Makefile就表示顶层Makefile包含arch/arm目录下Makefile，由此可见前面我们的推测是正确的。

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 从上面227行代码中可以发现，目标uImage依赖于vmlinux。uImage文件有两部分组成，头部和真正内核部分，要获得uImage文件必须先编译出内核，也就是先生成vmlinux文件，最后根据vmlinux文件生成uImage文件。下面我们还要找出vmlinux的依赖关系，在顶层Makefile中找到vmlinux的依赖关系如下代码：

745 vmlinux: $(vmlinux-lds) $(vmlinux-init) $(vmlinux-main) $(kallsyms.o) FORCE                             #来源于顶层的Makefile

可以看出vmlinux生成依赖于$(vmlinux-lds) $(vmlinux-init) $(vmlinux-main) $(kallsyms.o)，因此为了进一步分析，我们要分别找出$(vmlinux-lds) $(vmlinux-init) $(vmlinux-main) $(kallsyms.o)变量代表的内容，并对变量所代表内容进行一一展开。

608 vmlinux-init := $(head-y) $(init-y)                                           #来源于顶层Makefile文件
94  head-y := arch/arm/kernel/head$(MMUEXT).o arch/arm/kernel/init_task.o         #来源于arch/arm目录下的Makefile文件
443 init-y := init/                                                               #来源于顶层Makefile文件
573 init-y := $(patsubst %/, %/built-in.o, $(init-y))                             #来源于顶层Makefile文件

第94行$(MMUEXT)内容为空，head$(MMUEXT).o就是head.o， head-y := arch/arm/kernel/head.o arch/arm/kernel/init_task.o

第573行$(patsubst <pattern>,<replacement>,<text> ) 是一个Makefile函数，查找<text>中的单词是否符合模式<pattern>，如果匹配的话，则以<replacement>替换。这里，<pattern>可以包括通配符“%”，表示任意长度的字串。如果<replacement>中也包含“%”，那么，<replacement>中的这个“%”将是<pattern>中的那个“%”所代表的字串。init-y :=init/built-in.o

第608行将$(head-y) $(init-y)用94行和573行分析结果替换，可以得到vmlinux-init :=arch/arm/kernel/head.o arch/arm/kernel/init_task.o init/built-in.o

609 vmlinux-main := $(core-y) $(libs-y) $(drivers-y) $(net-y)                     #来源于顶层Makefile文件
438 core-y := usr/                                                                #来源于顶层Makefile文件
562 core-y += kernel/ mm/ fs/ ipc/ security/ crypto/ block/                       #来源于顶层Makefile文件
574 core-y := $(patsubst %/, %/built-in.o, $(core-y))                             #来源于顶层Makefile文件

437 libs-y := lib/                                                                #来源于顶层Makefile文件
577 libs-y1 := $(patsubst %/, %/lib.a, $(libs-y))                                 #来源于顶层Makefile文件
578 libs-y2 := $(patsubst %/, %/built-in.o, $(libs-y))                            #来源于顶层Makefile文件
579 libs-y := $(libs-y1) $(libs-y2)                                               #来源于顶层Makefile文件

435 drivers-y := drivers/ sound/                                                  #来源于顶层Makefile文件
575 drivers-y := $(patsubst %/, %/built-in.o, $(drivers-y))                       #来源于顶层Makefile文件

436 net-y := net/                                                                 #来源于顶层Makefile文件
576 net-y := $(patsubst %/, %/built-in.o, $(net-y))                               #来源于顶层Makefile文件

结合438行和562行，574行，第574行core-y := kernel/built-in.o mm/built-in.o fs/built-in.o ipc/built-in.o security/built-in.o crypto/built-in.o block/built-in.o

结合437行、577行和578行，第579行libs-y := lib/lib.a lib/built-in.o

结合435行，第575行drivers-y := drivers/built-in.o sound/built-in.o

结合436行，第576行net-y :=net/built-in.o

第609行将$(core-y) $(libs-y) $(drivers-y) $(net-y)用574行、579行、575行和576分析结果替换，可以得到vmlinux-main :=kernel/built-in.o mm/built-in.o fs/built-in.o ipc/built-in.o security/built-in.o crypto/built-in.o block/built-in.o lib/lib.a lib/built-in.o drivers/built-in.o sound/built-in.o net/built-in.o

610 vmlinux-all  := $(vmlinux-init) $(vmlinux-main)

结合608行和609行分析结果，将610行$(vmlinux-init) $(vmlinux-main)替换，可以得到vmlinux-all :=arch/arm/kernel/head.o arch/arm/kernel/init_task.o init/built-in.o kernel/built-in.o mm/built-in.o fs/built-in.o ipc/built-in.o security/built-in.o crypto/built-in.o block/built-in.o lib/lib.a lib/built-in.o drivers/built-in.o sound/built-in.o net/built-in.o

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以上介绍了构成内核的原材料，但它们怎样组合编译、连接成为内核，我们还要去看vmlinux依赖文件下执行的命令

745 vmlinux: $(vmlinux-lds) $(vmlinux-init) $(vmlinux-main) $(kallsyms.o) FORCE           #顶层Makefile文件
746 ifdef CONFIG_HEADERS_CHECK
747     $(Q)$(MAKE) -f $(srctree)/Makefile headers_check
748 endif
749    $(call if_changed_rule,vmlinux__)
759    $(Q)$(MAKE) -f $(srctree)/scripts/Makefile.modpost $@
751    $(Q)rm -f .old_version

我们可以通过分析上面命令得到编译过程以及生成的一些文件，但上面命令涉及很多函数、脚本，实在太过庞大，没有那么多精力去这样做。这时可以通过另一种方法直接编译内核，先通过rm vmlinux命令删去之前执行make uImage生成的vmlinux，再执行make uImage V=1查看更加详细编译过程，连接命令如下图所示：

图中vmlinux为连接输出结果，arch/arm/kernel/vmlinux.lds为连接脚本，后面的一些内容为连接的原材料，这些原材料和我们上面分析的原材料也基本一一对应。

总结：

1、顶层Makefile和arch/$(ARCH)/Makefile决定根目录下哪些子目录、arch/$(ARCH)目录下哪些文件和目录被编进内核，最后，各级子目录下的Makefile决定所在目录下哪些文件将被编进内核，哪些文件被编成模块，进入哪些子目录继续调用它们的Makefile。

2、通过分析得到了编译内核的连接脚本是arch/arm/kernel/vmlinux.lds，第一个文件是arch/arm/kernel/head.S，后续分析内核启动时，第一个文件arch/arm/kernel/head.S将是分析入手点。